模拟电子技术课程设计——水温水位自动报警器

模拟电子技术课程设计——水温水位自动报警器

模拟电子课程设计

题目名称：

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班级：

信息与电子工程学院

1． 设计任务：水温及水位自动监测报警器

1.1 监视容器中水的加热过程： 设计一个模拟电路，要求模拟实现容器中水的加热过程，当容器中水温未达到沸点时，监视器报警灯红灯亮，提示水没烧开；当

容器中水温达到沸点

时，监视器报警灯绿灯

亮，提示水已烧开。

1.2 监视容器中水位的升高过程： 设计一个模拟电路，要求模拟实现容器中水位的升高过程，当容器中的水

位低于下限水位时，监视器报警灯单红灯亮；当容器中的水位到达下限及下限以上，并且在上限以下时，监视器报警灯不亮；当容器中的水位到达上限及上限以上时，监视器报警灯双红灯亮。

2．

设计思路与说明 2.1 模拟水温检测系统

2.1.1 水温监测实验原理及器材选用依据：

热敏电阻是一种新型半导体感温元

件，而正温度系数热敏电阻具有正的电

阻温度特性，当温度升高时，电阻值升

高；当温度降低时，电阻值减小，其阻

值—温度特性曲线如图1所示。热敏电

上限水位 下限水位 上限水位信号 下限水位信号 水容器 加热器 水温信号 水温、水位检测系统示意图

进水管

阻的阻值—温度特性曲线是一条指数曲线，非线性较大，在实际使用中

要进行线性化处理，但比较复杂，一般只使用线性度较好的一段，在试

验中可用滑动变阻器模拟热敏电阻工作的过程。

实验中需要将变化的温度信号模拟成变化的电阻，为提高灵敏度，

采用桥式电路，将变化的电阻信号转化成变化的电压信号输出。因为温

度的很小的变化，对阻值的影响较小，导致输出地电压信号变化很小，

设备很难对微小的信号做出灵敏的反应，因此需要将小信号放大后进行

处理，在这里，我采用了精密的仪表放大器来处理变化的电压信号。当

温度升高，达到沸点时，相应的热敏电阻升高到了一定的阻值，最终引

起仪表放大器输出电压的变化，此时我需要选择出这个沸点电压，因此

我选用了一个单限比较器，当放大器输出的电压值达到沸点时的电压时，

电压比较器发生跳变引起输出点电位变化。通过该点电位的变化来接通

报警器，所以采用三极管和发光二极管来模拟实现报警器报警过程。实

验原理如图2所示。

2.1.2 电路功能：

滑动变阻器由零开始变化，模拟水温升高的过程，电阻阻图2 水温-0.6

-0.4-0.2

010*******阻值

输出电压/V Y

值与电桥输出电压U o 1的关系：U o 1=V 1(R R R 323+-R R R 414+)，实验中

测到R 4与U o 1的关系曲线，如图3所示。假设模拟电阻与温度的关系如

图4所示，则电压与温度的关系如图5所示。

U o 1送入仪表放大器，经过放大，得到输出电压U o 2，

U o 2=-R R 711???

? ??+R R 5621U o 1 在R 4增大的过程中，当U o 2＜-1.5V 时，即水温未达到沸点，U o 3输出高电位，此时Q1三极管导通，红灯亮。当R 4

继续增大，使U o 2=-1.5V 时，即水温达到沸点，U o 3发生跳变，输出低

电位，此时Q2三极管导通，绿灯亮。

2.1.3 电路参数确定 输入到仪表放大器的信号为小信号，因此，选择输入到仪表放大器

的信号差值为1V 左右，要求电桥中电流不能过大，因此选用1K Ω的电阻

和滑动变阻器作为电桥电阻；仪表放大器中的电阻需要选择小电阻，所

以选择300Ω的电阻，并设置放大倍数等于-3倍；在水温升高的过程R 4

增大，设置当R 4增大到333.3Ω时，即U o 1=0.5V 时，模拟水温达到沸

点，此时让电压比较器的输出电压发生跳变，即图4 模拟电阻与温度关系曲线

20

40

60

80

100

120

010*******阻值温度电压与温度模拟曲线

020*********

120-1-0.8-0.6-0.4

-0.20电压/V 温度z 图 5 电压与温度

U

U N

=U o2=-3U o1=-1.5V，所以设置VDD=-1.5V。当U o3输出高电P

位时，保证三极管Q1导通以及二极管LED2发光，因此选用NPN管，经

过调适和计算确定VCC和R13的值；当U o3输出低电位时，保证三极管

Q2导通以及二极管LED1发光，因此选用PNP管，经过调适和计算确定

VDD和R14和R15的值。

2.2模拟水位检测系统

2.2.1水位监测实验原理即器材选用依据：

用开关的闭合模拟水位升高过程中各部分电路的导通关系。当水位在下限以下和上限以上，需要亮起红灯来报警，而当水位合适时，则不用亮灯报警，根据这个关系，选择窗口比较器实现此过程。当水位在下限以下时，电路出于不导通状态，即S2断开与 U1、U2的连接，此时使二极管LED2亮，实现报警；

当水位为正常水位，S2与U2接通，此时两个二极管都不发光；当水位达到上限水位时S2与U1接通，此时两个二极管都发出红光报警。实验原理图如图6所示

图 6 水位检测实

2.2.2 电路功能：

U1的反相端与U2的同相端接同一高电位，U2的反相端与U1的同相端接同

一低电位，设置一个开关S2使其接地。当水位不够下限水位时，开关S2断开，U1反相端电位高于同向端电位，输出为负，相反，U2同向端电位高于反相端电位，输出为正，此时二极管LED2导通报警发光，而LED1因三极管未导通而截止不发光；当水位上升到下限或下限以上上限以下时，S2与U2接通，U2同向端电位为零，小于反相端电位，输出为负，三极管Q2不导通，LED2截止，因而不发光，LED1仍然处于截止状态，不发光；当水位继续上升达到上限水位时，S2与U1接通，U1反相端电位为零，小于同向端电位，输出为正，三极管Q1导通，LED1发光报警，而Q2也处于导通状态，LED2也发光报警。

2.2.3参数确定依据

VDD高于VSS，VSS高于地电位，因此根据这个关系确定参数使VSS 略高于地电位，所以选择VSS=0.5V，VDD=5V。根据二极管的发光要求以

及不断地调适确定VCC=5.37V 。

3．电路调试基本过程及调试结果

3.1 实验设备：模拟实验电路箱，万用表。

3.2 实验地点及条件：在模拟电路实验室，室温20°C 左右，保证实验仪器工作的

良好状态，减小误差。

3.3 实验时间：2010-7-3至2010-7-4两天。

3.4 实验中的主要问题及自我评价

在水温检测实验中，电路的平衡调节调了很长时间都不平衡，输出电压很不稳定，后来尝试不用电桥，只用一个电阻和滑动变阻器分压来实现，可是发现这样实现误差较大，所以又换回电桥分压。当电桥基本平衡后，连接仪表放大器是相当麻烦的，实验箱上的线很乱，就很容易接错，却又不容易发觉。好多用到的电阻实验箱上没有，也凑不出来，就得找现成的300Ω固定电阻，将

12V的电压，导致其插入实验箱后使用。刚开始连接仪表放大器的时候忘记给+

-

输出怎么测都是零。后来发现问题，接上电压，测得输出电压U o2≈-3U o1，终于到此为止的这部分电路成功了。接上了电压比较器之后，开始根据自己的预想的跳变点设置VDD电压值，可是在预设点没有发生跳变，然后就反复的测量U o2的变化范围，重新设定跳变点，后来设置-1.5V为阈值电压，测得U o3有了跳变，这已经成功了70﹪了。当接上三极管和发光二极管时，灯没有像预期

的那样亮起来，于是我就根据电路原理，反复调节二极管两端电压以及VCC和VDD的值，经过很多次的调适，反复的修改参数，灯终于亮了。

在水位监测实验中，电路简单，很快就连接完毕。第一次实现的是在下限水位以下不亮灯，正常水位时亮绿灯，高于上限水位时亮红灯。虽然顺利地实现了这个过程，但是与实验要求不符，老师要求按实验要求来做。当我重新接好电路，发现我的二极管的灯不亮，测量它两端的电压大于它的导通电压，于是我反复调电源电压，测量二极管两端的电压，它始终不亮。最后我实在想不明白为什么，便向老师求助，老师让我测了各点的连接情况，看是否导通，换一个三极管等等，可是这些方法我都试过，都不能解决问题。后来老师说可能实验箱上的三极管有问题，就去找了个三极管换上了，这次真的是找到了问题的所在，接上新的三极管，电路通了，我终于成功地完成了实验。

在课设的前一天晚上，我生成了初步的电路原理图，并初步定好了参数，准备的还算充分。可是，毕竟理论与实际是有差距的，实际的实验仪器有误差，有些参数跟预想的很不符合，所以在实验的过程中，我不断地思考，不断地调适，实在想不明白的地方才请教老师和同学。这次课设，我整整做了两天，实验中遇到了很多的疑惑和不解，但是通过请教老师同学加上自己的思考，我攻破了一个又一个难题。终于独立地按照要求在规定的时间内完成了任务。4．主要工作体会

首先，通过此次课设，我们将所学的东西第一次运用到了解决实际问题上，对于这一点我感到特别的骄傲。在以往的学习中，都是学习的一些理论上的知识，而真正怎样运用到实践中并没有认真想过。课本上的知识毕竟是死的，而实践过程中往往会发生很多状况，该如何发现问题，解决问题，是需要我们来认真思考的。这种能力也是我们亟待培养的。我觉得这次的课设，就是一次小小的锻炼，在实验过程中找到问题，分析问题，并找出方法来解决它，这个过程就是理论与实际的结合过程，既锻炼了我们的动手能力，又巩固了我们的理论知识，两全其美。因为在此之前我对仪表放大器并不是很了解，可是，当我实验中需要用到仪表放大器时，我必须翻书找资料，查找仪表放大器的工作原理，使用条件等。而在实验的过程中，进一步理解了仪表放大器的作用和使用方法。还有，在学习三极管的放大原理时，对各极电位变化的相互影响很模糊，

没有理出头绪，而在实验中，我反复的调节各点电位，测量电压，分析电位变化之间的关系，调节电路，因此弥补了我知识上的空缺。

其次，在实验过程中，我遇到了很多意想不到的麻烦，我不能选择逃避，只能是硬着头皮来解决。因为老师很忙，大家又都在忙着弄自己的电路，很少能抽出时间帮你解决问题，所以大部分时间我必须独立思考，独立解决问题。

当同学们纷纷完成实验，看着他们满足的笑脸，听着他么欢呼的声音，我不能急躁，我必须顶住压力，认真完成我的实验，因为我还没有成功，我的任务还没有完成。两天的课设让我废寝忘食，早晨去了，中午都不知道吃饭，不知不觉就到了下午，完全忘记了时间，忘记了饥饿。到了第二天的下午，大部分人都完成了实验，而那时我的实验电路恰好出现了严重的问题，我无数次地调适都无济于事，眼看就要到了傍晚，我告诉自己，不能放弃，一定要坚持完成课设任务，而最终经过我坚持不懈的努力终于在最后一刻完成了实验任务。所以，这次课设不仅教会了我很多知识，同时也磨练了我的意志。

总之，课设给我了我很好的锻炼机会，我也充分地利用这次机会，从中学习到了好多。

5．同小组人员名单与分工

大家基本上都是两人一组来做课设，我选择了一个人完成。从电路的构想，参数的确定，实验的调适一直到任务的最终完成，整个过程基本上都是

我一个人独立完成的。独立完成的过程固然艰辛，但是结果是令人欣慰的。